[发明专利]包括具有低捻度系数和改进压缩模量的有机纤维的复合材料

说明书

发明背景

本发明涉及制品或制品组件，它们具有面内剪切模量(IPSM)和圆周拉伸模量的改进组合，这提高了对于在制品的使用过程中产生的各种应力的耐受性。更具体地，本发明涉及用非金属复丝增强的橡胶制品，该复丝在使用中承受张力和剪切应力，例如在轮胎和尤其子午线轮胎的带束和传动带中见到的那些复丝。

轮胎是高性能复合材料，它必须：(1)产生纵向(圆周)力以用于加速和制动；(2)产生横向力以用于转弯；(3)支持竖向荷载；和(4)提供缓冲作用。因此，轮胎带束用于为轮胎提供劲度并因此对转弯特性，爪印形变(与道路接触)和向前运动产生显著影响。沿着轮胎的圆周提高拉伸模量将会增强从车轴传输驱动力到轮胎和最终到道路的效率。在驾驶员驾驶车辆时，产生转弯力，它让触地区域(与地面接触的轮胎面或轮胎触地区域)和因此使带束受到面内剪切力。轮胎带束的高刚度使得在轮胎触地区域中的胎面保持扁平并与道路接触，从而改善转弯和轮胎胎面磨损。带束的重要性使得需要对它改进以便达到用于高性能轮胎应用的目标。

对于农用和越野轮胎主要关注的是如何通过轮胎高效地传输动力。这些性能目标主要受轮胎带束的圆周(或纵向)模量的影响。在轮胎带束中，高的圆周拉伸模量对应于从轮的旋转至车辆的前进运动的高传送功率。然而，在优化带束的这一性能时，面内剪切模量这一性能受到不利的影响。对于客车轮胎，即用于正常每天使用的小客车中的轮胎，除了动力传送之外，还非常关注的是乘坐舒适性、方便操纵和轮胎胎面磨损。乘坐舒适性受到轮胎带束的面外弯曲的影响。低的面外弯曲模量使得胎面容易包围路障，从而最大程度减少竖向翘曲到轮胎车轴的传输。操纵，如转弯，受到轮胎带束的面内弯曲的影响。随着轮胎带束的面内剪切模量的增加，也改进了操纵响应。然而，当优化这一特性时，必须保持所需水平的动力传送，因此圆周模量不能减少到低于可接受的程度。为客车轮胎设计的带束所以不同于越野车和农用轮胎的带束，区别在于前者需要优化大量的带束参数以达到所需性能目标。

气胎用的角度斜裁帘布带束复合材料是典型地通过沿着交替方向堆叠两层或多层长丝增强橡胶片材所制得的。该增强丝典型地是在片材内单方向性的。在将这些单方向性的帘布层引入到轮胎中的过程中，在增强长丝和轮胎圆周切向线之间形成了角度。这一角度典型地是20-23°。由带束复合材料的这一常规制造方法得到了具有裁切长丝边缘的带束，这些边缘分布在带束层边的整个圆周长度上。因此，角度斜裁帘布复合材料的各增强丝是断开的，由于裁切的长丝末端产生独立的运动而不是总体运动，减损了复合材料的机械和疲劳性能。另外，裁切的帘子线末端呈现了材料不连续性，导致不希望有的应力集中。

钢丝帘线用作增强丝是普通轮胎带束中最常采用的方式。这是因为钢丝帘线具有适用于带束增强的压缩和拉伸性能。然而，由于它的低韧性和高密度，钢的重量是缺点，它影响了燃料经济性。另外，为了得到高速下的最佳性能，钢丝增强带束典型地需要使用胎冠缓冲层或冠带层，其中低密度的合成长丝覆盖了裁切的钢丝帘线边缘，因此有助于包含沉重的钢丝帘线和在钢丝帘线的尖锐切边处减少应力集中，从而延长轮胎寿命和增进高速能力。冠带层在用合成长丝增强的带束制得的轮胎中是不需要使用的，意味着在劳动力和材料成本上的节约。另外，如果钢丝已腐蚀的话，钢丝增强带束的使用使得轮胎翻新不可行。此外，钢丝带束轮胎的轮胎回收利用是更加困难的(由于轮胎撕碎设备的过度磨损)并产生高百分比的低级碎橡胶(即无法保证不含金属)。整个钢丝带束轮胎的回收利用比合成有机长丝带束轮胎的回收利用的成本有效性低。

正是由于将钢丝用于增强用轮胎带束中的许多缺点，非常希望用轻质材料代替钢丝来作为增强材料。有利的是，当在给定的纤维重量下对比时，轻质合成长丝如PEN，PET，芳族聚酰胺和尼龙的拉伸强度优于钢丝的拉伸强度。由于轮胎一般被设计成高强度，当使用合成材料时，这一差异导致较低帘线密度/每只轮胎。然而，不利的是，此类合成纤维通常具有比钢丝低的压缩模量，因此得到具有较低面内剪切模量的复合材料。轮胎带束的较低面内剪切模量同时有损于气胎的转弯力系数和轮胎胎面磨损特性。

当用合成纤维增强时，有几种可能提高带束性能的途径。通常这些措施将附加的帘布层引入到带束中和/或引入三维(third dimension)增强。后一措施包括：通过将帘布层缝合在一起，折叠帘布层，或编织或交织来将带束的帘布层结合在一起。